Contrôle de la récupération d`énergie d`un vélo d

Université catholique de Louvain
École polytechnique de Louvain
Commission de diplôme ELME
Année Académique 2011-2012
Contrôle de la récupération
d'énergie d'un vélo d'appartement
Mémoire présenté par Jordi Farré Montané
Promoteur :
Prof. Ernest Matagne
Lecteurs:
Prof. Paul Fisette
Prof. Hervé Jeanmart

Travail de fin d’étude Contrôle de la récupération d’énergie d’un vélo d’appartement
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Remerciements
La réalisation d’un tel ouvrage n’est pas chose aisée. Des aides précieuses, sans lesquelles je
n’aurais pu mener à bien cette étude, m’ont été fournies tout au long de cette année. Je tiens
dès lors à exprimer toute ma gratitude envers
- Mon promoteur, le Professeur Ernest Matagne, pour ses conseils, son soutien, ses
idées et sa supervision.
- André Lengelé, chef technicien du laboratoire, qui a été toujours disponible pour
m’assister à chaque fois que j’en avais besoin.
- Mon ami Jordi Fierro qui m’a aidé à surmonter mes carences en programmation.
- Mon amie Sarah St Amand qui m’a aidé à corriger le texte de ce travail de fin d’études.
Enfin, je tiens également à remercier ma famille et mes amis proches pour leur soutien et
toutes les personnes non citées ci-dessus qui, d’une manière ou d’une autre, m’ont soutenu,
informé et conseillé.

Travail de fin d’étude Contrôle de la récupération d’énergie d’un vélo d’appartement
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Table des matières
1 Introduction 5
1.1 Contexte……………………………………………………………………………………………….5
1.2 Sujet de mémoire……………………………………………………………………………......7
2 Énergie récupérable 8
2.1 Analyse de la puissance d’un cycliste…………………………………………………….......8
3 Analyse de la puissance à réaliser selon les conditions extérieures 11
3.1 Analyse………………………………………………………………………………………………….....11
3.1.1 Puissance pour vaincre le frottement avec l’air…………………….......12
3.1.2 La puissance pour vaincre la gravité……………………………………….....13
3.1.3 La puissance pour vaincre le frottement avec le sol………………......13
3.1.4 La puissance que l’utilisateur fait pour accélérer…………………….....13
3.1.5 La puissance développée pour changer l’énergie cinétique ou la
vitesse de rotation de la roue...........................................................................13
3.1.6 La puissance totale……………………………………………………………………..14
4 Description du système de puissance 15
4.1 L’alternateur……………………………………………………………………………………………..15
4.1.1 Les machines synchrones…………………………………………………...........16
4.2 Le redresseur................................................................................................17
4.3 L’hacheur DC-DC...........................................................................................18
4.4 L’accumulateur.............................................................................................20
4.5 L’onduleur.....................................................................................................20
4.6 Isolation galvanique......................................................................................22
5 Charge active réversible pour générateurs électriques 24
5.1 Introduction..................................................................................................24
5.2 Carte électronique........................................................................................24
5.3 Principe.........................................................................................................25
5.4 Connexions....................................................................................................26
5.5 Protection du matériel..................................................................................27
5.5.1 Protection de la batterie................................................................28
5.6 Description des circuits de la carte de traitement analogique.....................29
5.6.1 Alimentation de la carte analogique..............................................29
5.6.2 Capteur de courant........................................................................29
5.6.3 Amplificateur différentiel...............................................................31
5.6.4 Circuit de commande de tension...................................................32
5.6.5 Circuit limiteur de courant.............................................................33
5.6.6 Combinaison des deux consignes de rapport cyclique...................33
5.6.7 Modulateur MLI.............................................................................34
5.7 Description du hacheur.................................................................................36
5.8 Filtre L-C........................................................................................................36
5.9 Détermination des régulateurs de tension et de courant............................37
5.9.1 Détermination des régulateurs de tension et de courant pour
l’installation photovoltaïque..........................................................................................37
5.9.2 Détermination des régulateurs de tension et de courant par le cas de la
machine synchrone........................................................................................................40

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5.9.2.1 Réponse en fréquence.....................................................43
5.9.2.2 La boucle de tension........................................................46
5.9.2.3 La boucle de courant.......................................................51
5.10 Description des alimentations flottantes....................................................55
5.11 Capteur de vitesse......................................................................................56
5.11.1 Mesure de fréquence...................................................................57
5.11.2 Multiplieur de fréquence.............................................................57
5.11.3 Convertisseur fréquence-tension.................................................58
5.11.4 Vérification du fonctionnement du lecteur..................................63
5.12 Schéma d’implantation de la carte de traitements analogiques................64
5.13 Mise en boîter.............................................................................................65
6 Contrôle de la machine électrique 67
6.1 Choix du contrôle..........................................................................................67
6.2 Contrôle du couple sur une machine DC brushless......................................67
6.3 Détermination de la valeur de la commande...............................................69
6.4 Détermination du couple désiré...................................................................70
6.4.1 Le couple pour vaincre la gravité...................................................70
6.4.2 Le couple pour vaincre le frottement avec le sol...........................70
6.4.3 Le couple que l’utilisateur fait pour accélérer................................71
6.4.4 Le couple à développer pour vaincre le frottement avec l’air.......71
6.4.5 Le couple total à développer..........................................................72
6.5 Programmation du signal de commande et de l’interface pour interagir avec
l’utilisateur......................................................................................................................72
6.5.1 Labjack............................................................................................72
6.6 Programmation du signal de commande......................................................73
6.7 Conception du filtre pour le calcule de l’accélération..................................74
6.7.1 Filtre à moyenne mobile................................................................75
6.7.1.1 Réponse impulsionelle.....................................................76
6.7.2 Design du filtre passe-bas..............................................................80
6.7.3 Retard introduit par les filtres........................................................81
6.7.4 Vérification du fonctionnement des filtres....................................82
6.8 Vérification du bon fonctionnement de la commande.................................85
6.9 Programmation de l’interface pour interagir avec l’utilisateur....................88
7 Conclusion 90
7.1 Rappel des objectifs......................................................................................90
7.2 Résumé et commentaires des différentes sections......................................90
7.3 En conclusion….............................................................................................92
8 Bibliographie 93
A Fiche technique du moteur Crystalyte 406 R 95
B Datasheets 97
C Code de programmation 98

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Introduction
1.1 Contexte
La consommation d’énergie est en pleine croissance en raison de l’augmentation de la
population mondiale et du style de vie de cette population. Comme illustre dans la Figure 1.1
ci-dessous, durant les dernières 35 années, la consommation mondiale d’énergie primaire a
doublé. On peut seulement noter une légère diminution les deux dernières années à cause de
la crise économique, dont la plupart des pays développés ont souffert.
Figure 1.1 - Evolution de la consommation d’énergie primaire mondiale [1]
Si on fait attention à l’origine de cette énergie, on peut remarquer que la plupart de l’énergie
qu’on consomme procède des combustibles fossiles.
Figure 1.2 - Consommation d’énergie primaire mondiale en les années 1973 et 2009 [1]
C’est un fait préoccupant parce que, comme nous le savons tous, les combustibles fossiles sont
une ressource limitée. On peut estimer qu’il reste de 50 à 60 ans de gaz naturel; de 150 à 200
de charbon et de 40 à 50 ans de pétrole. L’uranium est également une ressource limitée, on
peut estimer la vie de l’uranium à 50-60ans [2] sauf en cas de surgénération1.
1. Le chiffre avancé de 50 à 60 ans concerne uniquement l’uranium 235. Dans le cas de l’uranium 238, les réserves disponibles
permettent une exploitation de milliers d’années.